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Mit Zickzack zum Zellstapel

Neuartiges, automatisiertes Verfahren zur Stapelbildung optimiert die Fertigung für Lithium-Ionen-Batteriezellen.

Die Zickzack-Faltung mit speziell beschichteten und zueinander ausgerichteten Materialbahnen (Kathode, Anode und Separatoren) wird automatisiert bis zur gewünschten Stapelhöhe durchgeführt.
Leistungsfähige Energiespeicher, wie Lithium-Ionen-Akkus, sind die Hoffnungsträger der Elektromobilität. Für den Durchbruch müssen jedoch insbesondere die Herstellungskosten reduziert werden. Sie sind ein großer Kostentreiber, da die Automation der Zellproduktion mit hohen Qualitätsanforderungen, sensiblen Materialien und hoher, geforderter Taktung bislang noch nicht ausgereift ist.

Zentraler Prozessschritt der Zellfertigung ist die Stapelbildung (Assemblierung): das Fügen von Elektroden (Anode, Kathode) und Separatoren zu einem Zellstapel. Häufig wird Einzelblattstapeln, also das diskontinuierliche Stapeln der einzelnen Schichten, angewendet. Dabei werden die gestanzten Materialien blattweise übereinander gelegt, wodurch sich zwar eine hohe Energiedichte (Energiespeicherkapazität pro Gewichtseinheit) ergibt, gleichzeitig aber ein hoher Fertigungsaufwand entsteht. Durch das Stanzen der Materialien besteht die Gefahr der Gratbildung an den Elektrodenrändern und der Partikelkontamination, wodurch sich das Kurzschlussrisiko erhöht.

Wissenschaftler am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT haben einen neuen Stapelansatz entwickelt, bei dem vier Materialbahnen wie im Zickzack übereinander gefaltet werden. Durch die Verwendung intermittierend beschichteter Elektrodenbahnen mit Beschichtungslücken kann kein Aktivmaterial an den Falzkanten abplatzen. Zudem dienen diese Bereiche später als Zellableiter. Die Anode ist beidseitig beschichtet und wird von zwei Separatorbahnen umschlossen. Im 90°-Winkel versetzt dazu ist die einseitig beschichtete Kathode positioniert. Zur Stapelbildung wird zuerst die 3-lagige Materialbahn abgelegt, darauf die Kathodenbahn geschichtet und direkt zurückgefaltet, sodass sie doppellagig mit der Beschichtung nach außen liegt. Darüber werden wiederum die drei Lagen gefaltet. Diese Abfolge wird bis zur gewünschten Stapelhöhe kontinuierlich wiederholt, wobei die Lagenanzahl von den gewünschten elektrischen Kennwerten der fertigen Zelle abhängt.

Das automatisierte Verfahren ermöglicht zum einen Zellen mit hoher Energiedichte, zum anderen eine hohe Prozessstabilität und Taktung. Der Zellstapel wird schließlich an den Ableitern kontaktiert, verpackt, vakuumiert und mit Elektrolyt befüllt.

Ein erster prototypischer Demonstrator des Verfahrens wurde am Institut umgesetzt. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und zum Einsatz des Verfahrens.

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Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Stephan Barth, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanager Energie, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-25536

E-Mail: stephan.barth@kit.edu

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